Ultradünnes Memory-Speicher könnte eine Revolution bedeuten

Forscher in den USA arbeiten an einem neuen, sehr dünnen Memory-Speichergerät. Es wäre nur 1,5 Nanometer dick, und verbräuchte weit weniger Energie als andere dieser Technologien.

Forscher an der University of Texas in Austin und an der Peking University behaupten, sie hätten das dünnste Memory-Speichergerät mit besonders dicht angeordneter Kapazität entwickelt. Das Gerät ist dafür konzipiert, effizient und dauerhaft Informationen bei einem Datenverkehr in Nanosekunden zu speichern. Damit ist diese Technologie besonders geeignet für den Einsatz mit verschiedenen fortgeschrittenen Memory- und Computing-Anwendungen der nächsten Generation.

Gebaut mit 2D-Nanomaterialien ist der Atomristor im Grunde ein Memristor der nächsten Generation – ein neuer Typ von Speichertechnologie, der niedrigere Memory-Skalierbarkeit bringt.

Bis zum heutigen Tag haben Memory Storage und Transistoren als getrennte Komponenten existiert. „Dagegen bietet Atomristor 3D-Integration von Memory und Transistoren auf dem gleichen Chip, geeignet für fortgeschrittene Computing-Systeme, nützlich für mobile Geräte und Big-Data-Applikationen“, erläutert Deji Akinwande, Associate Professor der University of Texas an der Cockrell School of Engineering in Austin.

Die ganze Memory Cell besteht aus einem 1,5 Nanometer (nm) dicken Sandwich. Halbleitende atomische Blätter aus Molybdän-Sulfid dienen als aktive Layer, während metallene atomische Blätter aus Graphen als Elektroden fungieren. Das Design des Memory-Speichergerätes macht es möglich, Atomristoren eng Schicht bei Schicht auf eine Fläche zu packen. Diese Technologie bietet einen deutlichen raummäßigen Vorteil gegenüber dem größeren konventionellen Flash Memory. Das zusammengestutzte Gerät ermöglicht außerdem schnelleren und effektiveren elektrischen Stromfluss.

Illustration eines spannungsinduzierten Memory-Effekts in Monoschicht-Nanomaterialien, wie beispielsweise beim Atomristor.
Abbildung 1: Illustration eines spannungsinduzierten Memory-Effekts in Monoschicht-Nanomaterialien, wie beispielsweise beim Atomristor.

Laut Akinwande hat man bei dem nicht-flüchtigen Ohmschen Switching-Phänomen der Memristor-Technologie festgestellt, dass sie eine grundsätzliche Begrenzung bei unverhältnismäßig großen Materialien überwindet. Akinwande bemerkt hierzu: „Diese Geräte können insgesamt als 'Atomristor' bezeichnet werden, im Wesentlichen handelt es sich um einen Memristor-Effekt auf einem einzigen atomischen Blatt.“ Indem metallene durch graphene Elektroden ersetzt werden, kann die gesamte Memory Cell unter 2 nm verkleinert werden und so zu dem gegenwärtig dünnsten Memory-Speichergerät gemacht werden. Akinwande fügt hinzu: „Diese Eigenschaft ermöglicht es Atomristoren, Schicht auf Schicht eng auf eine Fläche zu packen und damit viel weniger Platz als konventionelles Memory zu beanspruchen.“

Anwendungen

Der Atomristor-Technologie könnte eine glänzende Zukunft bevorstehen, besonders auf solchen Gebieten wie Analytics und Artificial Intelligence (AI). Nimmt man ihre Größe, Kapazität und flexible Integrationsfähigkeit, lassen sich Atomristors so zusammenstellen, dass man erweiterte 3D-Chips mit einer Memory-Architektur herstellen kann, die 3D-Verbindungen ähnlich wie in einem menschlichen Gehirn besitzen.

Atomristors sind auch in der Lage, sich mit konventionellen Silicon-Chips zu verbinden –„auf eine einfache Weise via Backend-of-line-Integration“, wie Akinwande bemerkt. Er fügt hinzu: „Wenn man Größe, Kapazität und flexible Integrationsfähigkeit betrachtet, kann Atomristor neue Applikationen wie zum Beispiel 3D Crossbar-Netzwerke für neuromorphisches Memory-Computing unterstützen.“

Eine andere besondere Anwendung für die Atomristor-Technologie besteht in einem nicht-flüchtigen Radiofrequenz-Switch mit niedrigem Energieverbrauch. Akinwande erklärt dazu: „Dies ist ein schnell wachsendes Anwendungsfeld wegen des starken Wachstums von drahtlosen Technologien und der Notwendigkeit von Switches mit sehr niedrigem Stromverbrauch.“

Der Atomristor-Technologie könnte eine glänzende Zukunft bevorstehen, besonders auf solchen Gebieten wie Analytics und Artificial Intelligence.

In Smartphones, Tablets und anderen mobilen Business- und Consumer-Technologien dirigieren Radiofrequenz-Switches hereinkommende Antennensignale zu einem von mehreren Kommunikationsbändern – ein ineffizienter Prozess, der kostbare Batterielebensdauer verschwendet.

Akinwande erklärt: „Atomristoren bieten einen beispiellosen Fortschritt für Hochfrequenz-Systeme, der ihren niedrigen elektrischen Spannungen, dem kleinen Formfaktor, der schnellen Switching-Geschwindigkeit und der Integration auf Basis niedriger Temperaturen – kompatibel mit Silicon- oder flexiblen Substraten – geschuldet ist.“ Noch besser, das Memory-Speichergerät verbraucht keine statische Energie, was zu längeren Batteriezeiten für mobile Geräte führen kann.

Ausblick in die Zukunft

Während Akinwande optimistisch ist, was das langfristige Potential der Atomristors angeht, erkennt er durchaus an, dass das ultradünne Memory-Speichergerät noch mehrere Jahre entfernt davon ist, eine Mainstream-Technologie zu werden. Praktische Aufgaben wie zum Beispiel Verbesserung der Speicherdauer, Lebenszeit, Einheitlichkeit und Ertrag der Geräte müssen noch adressiert werden. „Wenn diese praktischen Parameter optimiert werden, kann eine machbare Gerätetechnologie in einem Zeitrahmen von zehn Jahren erwartet werden“, sagt Akinwande.

Vom wissenschaftlichen Standpunkt aus wollen Akinwande und seine Forscherkollegen noch mehr wissen über die zugrundeliegenden Mechanismen von nicht-flüchtigem Ohmschen Switching auf einzelnen atomischen Blättern. Akinwande zieht Bilanz: „All das regt ein neues Forschungsfeld an von ungeklärten Fehlern, Ionentransport und Energetik an den scharfen Schnittstellen von atomisch dünnen Blättern und leitenden Elektroden. Wir arbeiten jetzt mit Theoretikern und Wissenschaftlern zusammen und versuchen, die tieferen pysikalischen Zusammenhänge besser zu verstehen.“

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Artikel wurde zuletzt im April 2019 aktualisiert

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